劉 蘇，王學華，李安翼，張紅霞，王 燦，劉 鑫，申凱赟

武漢工程大學材料科學與工程學院，湖北 武漢 430205

制造執(zhí)行系統(tǒng)（manufacturing execution system，MES）是面向車間的信息管理系統(tǒng)，向上銜接企業(yè)資源計劃（enterprise resource planning，ERP）系統(tǒng)，向下連接生產(chǎn)線設備，是實現(xiàn)管理者和生產(chǎn)車間信息傳遞的重要載體［1］。MES系統(tǒng)包含從原材料采購到成品入庫的生產(chǎn)過程進行實時數(shù)據(jù)采集、控制和監(jiān)控的全過程，實現(xiàn)對生產(chǎn)控制、產(chǎn)品追蹤追溯、生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)傳輸與處理等功能［2］。自動化生產(chǎn)線中與生產(chǎn)有關(guān)的工藝數(shù)據(jù)及設備狀態(tài)數(shù)據(jù)大多存儲在可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）及其關(guān)聯(lián)的上位機中，要將這些與產(chǎn)品信息相關(guān)的數(shù)據(jù)獲取并集中存入MES系統(tǒng)中，就需要將MES系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫與生產(chǎn)設備聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時存儲和更新［3］。本文基于以太網(wǎng)開發(fā)了C/S結(jié)構(gòu)的MES系統(tǒng)中上位機與多種PLC的通訊及用于過程控制的對象連接和嵌入技術(shù)［object linking and embedding（OLE）for process contrd，OPC］服務技術(shù)，滿足了多協(xié)議條件下生產(chǎn)設備與MES系統(tǒng)的集成，實現(xiàn)了實時數(shù)據(jù)的采集與存儲。

1 PLC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

由于該汽車零部件裝配車間的數(shù)據(jù)采集和控制為集散式控制結(jié)構(gòu)，每個工位單獨配備的PLC類型不同，給遠程數(shù)據(jù)采集帶來一定的困難。因此需要以遠程主控PC為上位機，通過以太網(wǎng)對所有分散的下位PLC進行統(tǒng)一控制和調(diào)度［4］。通過物理接口（RS232、RS485、Ethernet接口）將上位機和設備中的PLC組成以太網(wǎng)。整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)拓撲圖Fig.1 Topology diagram of data acquisition system

系統(tǒng)中的生產(chǎn)單元為汽車零部件的組裝件。在生產(chǎn)時，第一個工序為激光打標，為每個零部件附加一個唯一的二維碼。該二維碼可以被每個工位配備的掃碼槍識別并把識別結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫服務器。在后續(xù)的工序中，每個部件的裝配工藝及檢測結(jié)果均與這個唯一的二維碼對應，保證產(chǎn)品數(shù)據(jù)的唯一性。生產(chǎn)設備中大部分工藝數(shù)據(jù)和檢測數(shù)據(jù)及設備狀態(tài)均存儲在設備的PLC中，MES系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)及設備狀態(tài)需要從PLC中實時去獲取，當生產(chǎn)出現(xiàn)故障或者產(chǎn)品檢驗不合格時，MES系統(tǒng)會遠程鎖定當前故障設備或工序。

1.1 歐姆龍PLC的數(shù)據(jù)采集

采用上位機采集歐姆龍PLC的數(shù)據(jù)需要遵循歐姆龍公司開發(fā)的工廠接口網(wǎng)絡服務（factory interface network service，F(xiàn)INS）通信協(xié)議，使用FINS指令作為通訊的核心支持Ethernet、Control?ler Link或串口連接。FINS指令包括報文頭、命令幀和響應幀［5］，指令格式如圖2所示。

圖2 FINS協(xié)議指令格式Fig.2 Instruction format of FINS protocol

FINS指令主要包括：數(shù)據(jù)區(qū)讀/寫；參數(shù)區(qū)讀/寫；程序區(qū)讀/寫；強制置位/復位；運行停止控制；時鐘讀/寫和文件讀/寫［6］。指令的報文格式為：SB=ICF+RSV+GCT+DNA+DA1+DA2+SNA+SA1+SA2+SID+MRC+SRC+數(shù)據(jù)類型+數(shù)據(jù)地址+通道號。當發(fā)送符合FINS格式的指令給PLC后，就可以實現(xiàn)與PLC的正常讀寫操作。

讀取點位的值時，要首先了解點位的數(shù)據(jù)區(qū)域（CIO，DM，WR等），數(shù)據(jù)類型（BIT，WORD等），通道數(shù)（歐姆龍PLC一個通道表示16位長的數(shù)據(jù)）。不同的數(shù)據(jù)區(qū)域和不同的數(shù)據(jù)類型會對應不同的指令代碼。值的寫入和讀取類似，在發(fā)送報文的內(nèi)容中加入要寫入的值即可。程序設計流程如圖3所示。

圖3 PLC通訊軟件流程圖Fig.3 Flowchart of PLC communication software

1.2 三菱Q系列PLC的數(shù)據(jù)采集

三菱Q系列PLC采用MESLSEC通訊協(xié)議，與歐姆龍FINS協(xié)議相比，MESLSEC通訊協(xié)議中減少了握手的交互，更簡潔高效。該協(xié)議具有兩種報文類型，分為二進制和ASCII兩種格式［7］。本文主要采用ASCII格式，報文形式如圖4所示。

圖4 MC協(xié)議指令形式Fig.4 Instruction format of MC protocol

在與上位機進行通訊時，通訊報文中頭部、副頭部、網(wǎng)絡編號/可編程控制器編號、請求目標模塊I/O編號及請求目標站號均為默認值。需要考慮的是請求數(shù)據(jù)長度、指令/子指令和請求數(shù)據(jù)的內(nèi)容（包括軟元件代碼，起始地址，個數(shù)等）［8］。其中讀取元件值的子指令為“0401”；寫元件值的子指令為“1401”，在報文尾部增加寫入的數(shù)據(jù)部分即可［9］。

1.3 西門子PLC的數(shù)據(jù)采集

西門子S7-300/400系列PLC主要使用MPI協(xié)議和Profibus協(xié)議，但是協(xié)議內(nèi)容不公開?？梢岳肙PC技術(shù)實現(xiàn)與PLC的通訊［10-11］。OPC技術(shù)無需關(guān)注具體的協(xié)議內(nèi)容，硬件廠家會提供相應的OPC Server，這里只需開發(fā)實現(xiàn)OPC接口標準的客戶端即可。OPC的接口原理如圖5所示。

圖5 OPC接口原理圖Fig.5 Schematic diagram of OPC interface

西門子公司為S7300/S7400系列PLC提供的OPC Server接口集成在SIMATIC NET軟件包中。安裝好該軟件后使用PC Station進行組態(tài)，建立OPC Server和CPU（PLC）的連接。將PLC中的程序下載，設置好訪問點、屬性、IP等連接參數(shù)后便可被客戶端訪問。OPC Server的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)從上到下依次為Server、Group、Items、Item。使用時首先要獲取上位機運行的OPC Server，并連接Server，再添加要監(jiān)控的Item，即可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的讀寫操作［12］。

對Item項的監(jiān)控采用異步監(jiān)控方式［13］，每一個Item在本地客戶端和Server中都會有一個句柄用以標識，當PLC中對應的Item的值發(fā)生變化時，Server服務器就會將變化的各種數(shù)據(jù)參數(shù)傳遞給OPC Client，客戶端會自動觸發(fā)訂閱該事件的方法函數(shù)進行傳遞［14］，通過對參數(shù)的解析便可獲得Item項的數(shù)據(jù)。OPC客戶端的軟件流程如圖6所示。

圖6 OPC客戶端軟件流程圖Fig.6 Flowchart of PLC communication

2 接口集成

雖然生產(chǎn)線現(xiàn)場PLC種類繁多，通訊的方式也各不相同，但主要使用的功能均包括連接PLC和OPC Sever、讀取數(shù)據(jù)、修改數(shù)據(jù)和關(guān)閉連接。因此可以通過定義一個公共接口，將各種通訊方式的具體實現(xiàn)方法封裝為接口類，把這些功能都繼承于該接口［15］。在具體使用時，根據(jù)條件實例化不同的接口，即可實現(xiàn)通訊的要求，通訊接口類的關(guān)系結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 通訊接口類的關(guān)系圖Fig.7 Diagram of communication interface class

歐姆龍FINS、三菱MC以及西門子OPC技術(shù)的具體實現(xiàn)方法都封裝與一個具體的類，每個類都繼承于ICommunication接口，該接口具有Con?nect，Close，Read，Write四種方法。當要進行數(shù)據(jù)操作時，在PLCManager類中首先根據(jù)參數(shù)ID實例具體的接口，即可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)操作。

3 數(shù)據(jù)采集實例

在某汽車零部件裝配車間，數(shù)據(jù)采集的第一步由掃碼器掃描各個部件的二維碼，上位機獲取該二維碼信息，并緩存。后續(xù)各工序的生產(chǎn)狀態(tài)和檢測結(jié)果由本文所開發(fā)的數(shù)據(jù)采集服務在后臺完成，同時將采集到的數(shù)據(jù)與該二維碼關(guān)聯(lián)形成產(chǎn)品信息，最終存儲在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。后臺服務的數(shù)據(jù)采集界面如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)采集后臺服務界面Fig.8 Interface of data acquisition service

后臺服務中同時也設計了PLC報警的邏輯點位和數(shù)據(jù)合格性判斷條件，可以自動或者手動根據(jù)報警位置及產(chǎn)品是否合格實現(xiàn)設備的鎖定和解鎖，達到防止不合格品在生產(chǎn)線上流動的目的。

4 結(jié) 語

基于某汽車零部件廠家MES系統(tǒng)開發(fā)，本文開發(fā)了基于以太網(wǎng)的C/S結(jié)構(gòu)后臺數(shù)據(jù)采集服務功能模塊。該系統(tǒng)在某汽車零部件裝配車間實際使用，以峰值800 Kbps的速度同時采集10臺自動化設備的PLC寄存器緩存數(shù)據(jù)，運行一個月狀態(tài)穩(wěn)定，無故障。表明該系統(tǒng)滿足了生產(chǎn)線對生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時采集、存儲的需要，同時也實現(xiàn)了對生產(chǎn)線設備狀態(tài)的監(jiān)控。

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